Ультразвуковая сканирующая технология ABS повышает безопасность инспекции корпусов судов

Один из рынков, на который нацелена ABS Group с ее ультразвуковой сканирующей технологией для композитных материалов — отремонт лодок, где она может оценивать повреждения или дефекты, невидимые на поверхности. (Изображение: Getty Images)

История и вызовы

Судостроители не имели опции стекловолокна, когда некоммерческая Американская бюро судоходства (ABS) была основана 160 лет назад для защиты жизни и имущества на морях. К счастью, технологии для обеспечения безопасности морских судов также прошли долгий путь за это время, отчасти потому, что люди стали космическим видом.

ABS Group of Companies Inc. из Спринга, штат Техас, дочерняя компания ABS, предоставляющая решения по управлению рисками и расширяющая морские технические услуги до малых судов, таких как яхты и рыболовные лодки, теперь взяла технологию, разработанную для инспекции теплового щита космического аппарата Orion NASA, и предлагает ее для оценки корпусов судов из передовых композитных материалов.

Сырое ультразвуковое сканирование блока Avcoat, эпоксидной смолы на тепловом щите Orion, дает мало полезной информации (верх). Обширная обработка сигнала, разработанная Aerospace Corporation для NASA, однако, способна обнаруживать дефекты, такие как отсутствие сцепления и «поцелуй несцепления» — точка, где поверхности соприкасаются, но не связаны (низ). (Изображение: NASA)

Проблема композитных корпусов

Судна длиннее ~175 футов требуют прочности металлического корпуса. Поскольку металл хорошо проводит звук, их можно инспектировать традиционным ультразвуковым сканированием, отправляющим высокочастотный звук в материал и обнаруживающим повреждения по нерегулярностям в возвращаемых эхах. Меньшие суда могут сэкономить вес с композитными корпусами, часто изготовленными из слоев стекловолокна, эпоксидной смолы или углеродного волокна, но эти материалы поглощают и гасят звук, делая их гораздо более трудными для оценки ультразвуковой технологией.

«Мы посмотрели на отрасли, которые уже были более продвинуты в способности обнаруживать дефекты в неметаллических материалах, и аэрокосмическая отрасль действительно лидирует в этом секторе», — сказал Ник Обандо, директор по управлению целостностью активов в ABS Group.

Технология от NASA для Orion

Экономия веса, обеспечиваемая композитными материалами, а также надежные инспекции для обеспечения безопасности — среди высших приоритетов для NASA и других проектировщиков космических аппаратов. Поэтому, когда космическое агентство выбрало новый метод строительства для теплового щита модуля Orion, его инженерам нужна была техника инспекции, гарантирующая его целостность. Они обратились к некоммерческой НИОКР-компании Aerospace Corporation для создания новой ультразвуковой технологии для обследования композитов — такой, которая также подошла бы для нужд ABS Group и ее более легких клиентов.

Один из потенциальных рынков для инспекции композитных материалов — морские платформы, где поврежденные композитные сосуды под давлением могут представлять опасность, а композитные материалы могли бы лучше ремонтировать трубы и надводные конструкции, если бы был способ проверить их целостность. (Изображение: Getty Images)

Разработка технологии

Orion — космический аппарат, который доставит астронавтов на Луну и обратно в рамках миссий Artemis NASA в ближайшие годы. Его тепловой щит защитит его при возвращении, когда он пролетает через атмосферу Земли, генерируя температуры до 5000 °F. Щит изначально планировался изготовить путем впрыскивания Avcoat, легкой эпоксидной смолы, ранее использованной для теплового щита капсулы Apollo, в ячейки сотовой структуры. Однако при построении тестового щита образовались трещины на некоторых швах, поэтому NASA и подрядчик Lockheed Martin решили клеить блоки Avcoat непосредственно к основанию щита.

«В таком случае линия склеивания стала критической», — сказал Уильям Проссер, технический феллоу по неразрушающему контролю в Центре инженерии и безопасности NASA в Лэнгли. «И у них не было хорошего способа ее протестировать, потому что прочность сцепления была выше прочности материала Avcoat, поэтому они не могли проводить тесты на растяжение, как делали с плитками шаттла».

Центр инженерии и безопасности поддерживает сети экспертов, выходящие за пределы NASA, и к ним относится Шант Кендериан, директор отдела обработки материалов Aerospace Corporation и лаборатории неразрушающего контроля компании.

Когда Проссер обратился к Кендериану в 2015 году, Aerospace Corporation уже экспериментировала с технологией, имевшей потенциал решить проблему. Недавно нанятый Тоби Кейс принес передовые сканирующие технологии, разработанные им как аспирант, и команда продемонстрировала, что она может выполнить простую точечную проверку образца теплового щита. «Но для большого сканирования в производственном масштабе — это совершенно другой уровень надежности», — сказал Кендериан.

Техники в Kennedy Space Center завершают нанесение блоков Avcoat на тепловой щит командного модуля Orion. Для проверки сцепления блоков с щитом NASA обратилась к Aerospace Corporation для разработки ультразвукового сенсора, способного обнаруживать дефекты в или под материалом, несмотря на его сопротивление звуку. (Изображение: NASA)

Затем последовали два года уточнения фокусировки и методов обработки сигнала, а также аппаратного обеспечения, пока пользователь мог вручную сканировать большую площадь композитных материалов и получать четкое изображение любых повреждений или дефектов под поверхностью. «Все эти трюки обработки сигнала или шаги, которые мы применяли, каждый шаг улучшал сигнал все больше и больше, пока он не стал четким», — сказал Кендериан. «Весь этот уровень разработки происходил при финансировании NASA».

Инженеры NASA и Lockheed Martin также участвовали в усилиях, особенно при тестировании и валидации технологии. «И затем нам пришлось перевести это в систему, которую можно было использовать на реальном 비행овом оборудовании в Kennedy Space Center инспекторами», — сказал Проссер. «И это была еще одна значительная активность».

Aerospace Corporation получила патент на технику в конце 2019 года, и не прошло много времени, прежде чем ABS Group обратилась, лицензировав технологию в начале 2021 года и запустив ее как коммерческую услугу в следующем году. «Насколько мне известно, мы первые, кто принес настоящую способность оценивать через толщину этих неметаллических композитов для морской отрасли», — сказал Обандо.

Целевые пользователи и перспективы

Он сказал, что компания нацелена на три основных типа пользователей: производителей и розничных продавцов, оба могут использовать технологию для обеспечения качества, и мастерские по ремонту, которым нужно оценить повреждения или дефекты. «Это попытка защитить все заинтересованные стороны, с лучшей гарантией целостности актива во время изготовления и после изготовления», — сказал Обандо. Производитель или перепродавец может лучше гарантировать качество, а клиенты могут иметь больше веры в свою покупку. Он также отметил, что страховщики могут найти применение для этих тщательных инспекций.

Но он сказал, что компания все еще работает над определением других ниш, которые она может заполнить в судостроительной отрасли и за ее пределами. «Мы взволнованы технологией», — сказал Обандо. «Так что теперь речь идет о переводе этого энтузиазма нашим клиентам: „Эй, мы думаем, это может помочь вам, можете ли вы показать, где есть кейс для этого в этой отрасли, которая действительно недообслуживается?“»

Для дополнительной информации посетите здесь.